Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Факультет электротехнический

Кафедра микропроцессорных средств автоматизации

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на соискание академической степени бакалавра

На тему Модернизация печей аэродинамического нагрева АРП-16

Студент Баннов Д.А.

Руководитель

выпускной квалификационной работы

Даденков Д.А

Пермь 2017 г.

АННОТАЦИЯ

В данной выпускной квалификационной работе рассматривается вопрос модернизации печей аэродинамического подогрева, а именно внедрение частотно - регулируемого электропривода на действующие установки; объединение печей в централизованную двухуровневую автоматическую систему управления.

Цель проектирования состоит в выборе оборудования, внедряемого на участок, выборе предложенного для контроля технологических параметров оборудования, которое соответствовало бы требованиям, предъявляемым технологическим процессом, и описании работы выбранной системы.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕРНИЗАЦИИ

1.1 Технические параметры печи

1.2 Основные элементы печи

1.3 Техническое описание существующей системы контроля и управления

2. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1 Требования к элементам автоматизации и оборудованию печей

2.2 Разработка структуры автоматизированной системы

2.3 Математическое описание и выбор регулятора

2.3.1 Вентилятор роторного нагревателя

2.3.2 Электродвигатель

2.3.3 Частотный преобразователь

2.3.4 Датчик температуры

3. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Обзор структуры автоматизации

3.2 Выбор технических средств автоматизации

3.2.1 Программируемый логический контроллер

3.2.2 Преобразователь частоты

3.2.3 Датчики температуры

3.2.4 Панели оператора

3.3 Выбор программного обеспечения верхнего уровня

3.4 Описание работы системы и алгоритм управления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время автоматизация получает самое широкое применение в различных сферах деятельности человека. Развитие всех областей техники в настоящее время характеризуется широкой автоматизацией различных производственных процессов.

При этом освобождается труд человека, повышается точность и скорость выполнения операций, что значительно повышает производительность производства.

Необходимость автоматизации:

· старание повысить производительность труда, интенсивность работы при стабильном и надёжном функционировании оборудования.

· совершенствование технологического процесса.

· уменьшение затрат на вспомогательные производства, удельный вес которых по капитальным затратам до 50%, по трудовым - до 70%, освободиться от физического, монотонного, малоквалифицированного труда.

· необходимость налаживания получения и переработки информации и использование её для управления всеми производственными процессами.

Человек постепенно отдаляется от непосредственного воздействия на органы управления, расширение функций автоматических устройств продолжается и становится главным направлением развития всей техники.

Потребность передачи автоматическим устройствам функций управления диктуется значительным усложнением процессов, повышением требований к точности, необходимостью экономии энергоресурсов, быстротой протекания процессов и т. п.

Количество информации, которое необходимо переработать человеку в единицу времени, чтобы управлять, оказывается столь большим, что ему не хватает времени следить за им же созданными агрегатами и процессами.

Устранение этой трудности путем простого увеличения обслуживающего персонала невозможно. Кроме того, часто сам характер процесса требует автоматизации.

В настоящее время многие предприятия столкнулись с ситуацией, когда основное оборудование выработало свой ресурс, либо морально устарело.

Выходом из данной ситуации является приобретение нового оборудования, что требует значительных средств или модернизация существующего.

В свете вышесказанного возникает необходимость модернизации печей аэродинамического подогрева композиционных материалов, применяемых на АО «Пермский завод «Машиностроитель». Данные печи играют значительную роль в процессах изготовления изделий для авиа- и аэрокосмической промышленности.

Система управления данных агрегатов морально устарела и во многом зависит от персонала. Традиционным способ регулирования являлось тиристорное управление ДПТ роторного нагревателя.

Слабым местом системы регулирования скорости ДПТ является двигатель. Он дорог, а коллекторно-щеточный механизм является его основной проблемой.

При работе подгорает коллектор, двигатель требует частого обслуживания, не может работать в агрессивной и запыленной среде. Так же следует отметить, что оборудование системы морально и физически устарело и больше не выпускается, что накладывает определенные трудности в случае выхода его из строя.

С появлением новых средств как аппаратного, так и программного характера, появляется возможность модернизировать печи и объединить в одну систему автоматического управления.

А это энергосбережение, повышение производительности труда, снижении человеческого фактора, повышение эффективности управления, качество выпускаемых изделий.

Во всем мире для этой цели применяется частотно-управляемый асинхронный электропривод со стандартными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями общего применения.

Это вызвано появлением на рынке большого количества совершенных и относительно недорогих преобразователей частоты, построенных на современной элементной базе.



1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА МОДЕРНИЗАЦИИ

Печи типа АРП предназначены для реализации технологии аэродинамического нагрева, заключающегося в преобразовании механической энергии центробежного вентилятора, создающего поток воздуха в закрытом объёме, в тепловую.

Аэродинамический нагрев обеспечивает высокую равномерность температурного поля по объёму рабочей камеры. Конвективный теплообмен обеспечивает более равномерный прогрев изделий, находящихся в печи.

1.1 Технические параметры печи

Печь АРП-16 предназначена для термической обработки композиционных материалов, требующих нагрева в интервале рабочих температур от 50 до 400С°. Получение теплового эффекта в агрегате производится за счёт молекулярного трения в потоке воздуха, двигающегося по замкнутому объёму, а также за счёт трения между потоком воздуха и стенками термической камеры.

Основную роль в печах этого типа несут роторные нагреватели, представляющие собой рабочее колесо соединенное валом через подшипниковый узел с двигателем. Температура внутри камеры регулируется за счёт изменения скорости вращения ротора двигателя, и соответственно скорости потока воздуха.

Технические данные:

Размеры рабочего пространства камеры (ширина х высота х длина)	4000 х 4000 х 11780 мм
Максимальный размер садки (ширина х высота х длина)	3500 х 3500 х 10000 мм
Максимальный вес садки	3000 кг
Максимальная рабочая температура	400° С
Мощность роторного нагревателя	125 кВт
Количество нагревателей	2 шт
Частота	50 Гц
Напряжение	380 В

Регулятор температуры автоматический по заданной программе.

1.2 Основные элементы печи

Роторный нагреватель: Работа роторного нагревателя обеспечивает аэродинамический нагрев, отличающийся высокой равномерностью и интенсивностью. Рабочее колесо роторного нагревателя центробежного типа состоит из несущего диска и закрепленных на нем радиально лопаток. Каждая лопатка состоит из дугового участка с центробежным углом и прямого участка, сопряженного с дуговым участком со стороны его входной зоны. При вращении рабочего колеса в корпусе печи происходит рециркуляция воздуха.

Электродвигатель: Роторный нагреватель приводится в действие двигателем постоянного тока. Изменение частоты вращения электродвигателя осуществляется посредством изменения величины напряжения подводимого к его якорю.

Тележка: Устанавливается на рельсы и предназначена для загрузки и выгрузки изделия.

1.3 Техническое описание существующей системы контроля и управления

Основой для регулирования температуры в печи является изменение скорости вращения двигателя, на рисунке 1.1 представлена структурная схема системы управления.



Рисунок 1.1 - Структурная схема системы управления

Состав структурной схемы:

ТХК - термометр термоэлектрический ТХК 0ч400°С

СПУРТ-4А - система программного управления режимами температуры

Р-111 - регулирующий прибор

И-102 - измерительный прибор

КСП-4 - автоматический самопишущий потенциометр

ДПТ - двигатель постоянного тока П-102, 125 кВт, 1500 об/м, 440В

КТУ - комплектное тиристорное устройство КТУ-460/1000

РУ-02М - блок программного регулирования

Управление скоростью вращения двигателя роторного нагревателя осуществляется тиристорным преобразователем.

Система программного регулирования температуры включает в себя блок программного регулирования РУ-02М и высокоточный регулятор температуры ВРТ-2, состоящий из двух приборов измерительного И-102 и регулирующего Р-111.

Сигналы на входе программного блока алгебраически суммируются с сигналом поступающего с датчика.

Сигнал рассогласования поступает на вход усилителя И-102. С выхода прибора И-102 усиленный сигнал разбаланса поступает на вход прибора Р-111.

Последний формирует закон регулирования и генерирует выходной унифицированный сигнал постоянного тока 0..5 мА, который является управляющим для тиристорного преобразователя. Прибор Р-111 имеет индикаторы, по которым можно контролировать величину разбаланса и выходной ток, а так же переключатель управления, позволяющий перейти на ручное управление.

Измерение и запись температуры изделия осуществляет двенадцатиточечный автоматический самопишущий потенциометр КСП-4.

Ввиду морально и физически устаревшего оборудования необходима модернизация и внедрение новых средств автоматизации.

автоматизация печь нагрев регулятор

2. Разработка ПРОЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1 Требования к элементам автоматизации и оборудованию печей

В процессе составления технического плана организации системы управления четырьмя печами аэродинамических потерь, были поставлены следующие требования:

- Заменить устаревшие контрольно измерительные приборы на современные и более точные устройства (датчики, преобразователи, устройства связи с объектом), а так же установить дополнительные устройства в местах дополнительного контроля общей системы диспетчеризации и автоматизированного управления технологическим оборудованием;

- Поменять устаревшее оборудование сбора данных, контрольно измерительных (И-102, КСП-4) на новую микропроцессорную технику;

- Внедрить верхний уровень системы сбора данных на базе современной SCADA, обеспечивающий удобный человеко-машинный интерфейс и возможность совместной работы нового и старого оборудования;

- Расширить функциональные возможности системы контроля управления технологическим процессом, как в ручном, так и в автоматическом режимах;

- Создать удобные понятные формы графического представления сигналов, полученных с контрольно измерительных приборов.

- Заменить тиристорные преобразователи с двигателями постоянного тока на частотные преобразователи с двигателями переменного тока.



2.2 Разработка структуры автоматизированной системы

При создании проекта автоматизации в первую очередь нужно решить, с каких мест будут управляться те или иные участки объекта, где будут распологаться пункты управления, операторские помещения, какова должна быть взаимосвязь между ними, необходимо решить вопросы выбора структуры управления.

Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними.

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность и надежность его работы, снижение стоимости системы управления, ремонтоспособности и т.д.

В самом общем виде структурная схема системы автоматизации представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема системы

Система автоматизации состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом. Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и системой управления система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующийся параметрами х1,х2,…хn.

К этим параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие конечный продукт технологического процесса, отдельные параметры, определяющие ход технологического процесса, его экономичность, обеспечение безаварийного режима и т.д.

Кроме этих основных параметров, работа комплексного объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных параметров y1, y2,... yi, которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными).

От этих установок требуется только подача на вход технологической установки сырья и энергоносителей с заданными параметрами. При этом необходимое дозировка количество сырья и энергоносителей осуществляется средствами управления, относящимися к технологической установке.

В процессе работы на объект поступают возмущающие воздействия f1, f2,... fi, вызывающие отклонения параметров x1, х2, ..., хn от их требуемых значений. Информация о текущих значениях x1, х2,..., хn, у1, у2, ..., yi поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значениями g1, g2,..., gk, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воздействия E1, E2,…, Em для компенсации отклонений выходных параметров.

Таким образом, объект автоматизации в общем случае состоит из нескольких связанных друг с другом участков управления. Участки управления физически могут представляться в виде отдельных установок, агрегатов и т. д. или в виде локальных каналов управления отдельными параметрами одних и тех же установок, агрегатов и т. д.

Структуры управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрали- зованными и многоуровневыми.

Структурные схемы одноуровневых централизованных и децентрализованных систем, многоуровневых систем приведены на рисунках 2.2, 2.3 на которых стрелками показаны только основные потоки передачи информации от объекта управления к системе управления и управляющие воздействия системы на объект управления.

Рисунок 2.2 - Примеры одноуровневых систем

Рисунок 2.3 - Трехуровневая система управления

Если управление несколькими печами АРП построить по одноуровневой централизованной системе, то намного усложнятся коммуникации системы управления, возрастут затраты на ее сооружения и эксплуатацию, получится громоздким центральный пункт управления.

Переработка информации, большая часть которой является ненужной для непосредственного ведения технологического процесса (загрузка изделия, контроль и управление второстепенными параметрами) представляет большие затруднения.

В данном проекте применим двухуровневую централизованную структуру управления. Отдельные печи управляются децентрализованно с пунктов управления 1 - 7.

Это первый уровень управления. Основные параметры, определяющие технологический процесс объекта в целом, управляются и контролируются с центрального пункта управления 2 уровня.

Двухуровневая структура системы управления обеспечивает ее оперативность, надежность, ремонтопригодность. При этом решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количеством средств технологического контроля, управления и линий связи между ними.

АСУ ТП классифицируются на уровни классов 1, 2 и 3. К классу 1 (АСУ ТП нижнего уровня) относятся АСУ ТП, управляющие агрегатами, установками, участками производства, не имеющие в своем составе других АСУ ТП.

К классу 2 (АСУ ТП верхнего уровня) относятся АСУ ТП, управляющие группами установок, цехами, производствами, в которых отдельные агрегаты (установки) имеют свои локальные системы управления, не оснащенные АСУ ТП класса 1.

К классу 3 (АСУ ТП многоуровневые) относятся АСУ ТП, объединяющие в своем составе АСУ ТП классов 1, 2 и реализующие согласованное управление отдельными технологическими установками или их совокупностью (цехом, производством).

Построение систем автоматизации по уровням управления определяется как целями (критериями) управления технологическими объектами, так и требованиями снижения трудозатрат на их реализацию.

Система автоматизации структурно может быть представлена по-разному.

В общем случае любая система может быть представлена конструктивной, алгоритмической или функциональной структурой. В конструктивной структуре системы каждая ее часть представляет собой самостоятельное конструктивное целое.

В алгоритмической структуре каждая часть предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования входной величины, являющегося частью алгоритма функционирования системы в целом, в функциональной - для выполнения определенной функции. Из рассмотренных систем управления наиболее подходит централизованная двухуровневая система управления.

2.3 Математическое описание и выбор регулятора

Для анализа и синтеза САР необходимо располагать ее математическим описанием - описанием физических процессов в САР и ее основных подсистемах на языке математики.

Для описания систему разбивают на отдельные узлы, подсистемы, элементы и т. д. Затем на основании физического закона составляют уравнения для каждого элемента, которому подчиняются процессы, протекающие в данном элементе. Совокупность уравнений всех элементов составляет математическое описание САР (математическую модель САР).

Понятие математической модели связано с принятыми допущениями при составлении уравнений. Математическая модель системы должна быть, с одной стороны, как можно точнее, а с другой - по возможности проще, чтобы не усложнять исследования.



Рисунок 2.4 - Структурная схема САР для печи АРП

Wрег(p) - передаточная функция регулятора температуры;

Wэл.п(p) - передаточная функция электропривода;

Wоу(p) - передаточная функция вентилятора;

Wдт(p) - передаточная функция датчика температуры;

Система автоматического регулирования имеет один контур для измерения температуры внутри печи и управления регулятором частоты вращения приводного электродвигателя.

Рисунок 2.5 - структурная схема САР роторного нагревателя



2.3.1 Вентилятор роторного нагревателя

Вентилятор имеет передаточную функцию

Передаточный коэффициент для вентилятора будет равен

,

где - необходимая температура в камере для режима

- номинальная частота вращения рабочего колеса

2.3.2 Электродвигатель

Передаточная функция асинхронного электродвигателя имеет вид:

Wдв (р) = ,

где Тдв - постоянная времени двигателя;

- коэффициент электродвигателя.

Передаточный коэффициент для электродвигателя будет равен

Кдв = щ/f =157/50 =3.14

где щ =2р n/ 60 =2*3.14*1500/60 =157 рад/с



2.3.3 Частотный преобразователь

Частотный преобразователь в практике проектирования принято интерпретировать инерционным звеном первого порядка

Кчп =вчп/(Тчп +1),

где впч - коэффициент усиления преобразователя;

Тпч - постоянная времени звена

Тпч =Тф +(1/2mf)=0,005+1/(2*3*50)=0,008 сек,

где Тф - постоянная времени цепи СИФУ включая фильтр (Тф =0.003-0.005 с);

m - число фаз;

f - частота сети;

1/2mf - среднее статистическое запаздывание преобразователя.

Постоянную времени (Тм) преобразователя частоты можно вычислить по формуле Ямпольского:

Тм =1/2*( Тпч+ Тдат+ v(Тпч+ Тдат)І+ ТдатІ)=0,013 сек.

Значения постоянной времени для ПЧ весьма мало, поэтому передаточную функцию двигателя и ПЧ будем рассматривать, как передаточную функцию электропривода, имеющую вид:



Передаточный коэффициент будет равен отношению номинальной частоты вращения вала двигателя (щ) к входному токовому сигналу (iзт)

2.3.4 Датчик температуры

Датчик температуры представляет собой инерционное звено. Передаточный коэффициент датчика образуется из выражения выходного токового сигнала (Iвых) датчика от номинальной температуры (Т), образуемой роторным нагревателем.

где Iвых =15мА, принимаем выходной токовый сигнал с датчика при Тном =400° С

Передаточная функция датчика давления имеет вид

,

где Тдт - постоянная времени датчика температуры (Т=1,1 сек), определена экспериментальным путём.

В структурной схеме системы автоматического регулирования температуры в печи аэродинамического нагрева присутствуют два апериодических звена первого порядка, то есть необходимость применения пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора).

3. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Обзор структуры автоматизации

Автоматизированная система управления технологическим процессом состоит из множества элементов (устройств), предназначенных для сборки, передачи, анализа и управления процессом:

Датчики: Предназначены для слежения за контролируемым им параметром. Получаемый параметр преобразуется в электрический сигнал и отправляется на устройство сбора и анализа информации. Для автоматизации печей аэродинамического нагрева основным параметром будет температура.

Устройство сбора и анализа информации: К этим устройствам относится контроллер, который полученные сигналы с датчиков сравнивает с заданными, анализирует их и выдает управляющие сигналы на исполнительные механизмы. Он является, одним из главных элементов автоматизации.

Устройство визуализации: В качестве устройства визуализации выступает техническое средство отображения информации о технологическом процессе (обычно это закрепленный стационарно мультимедийный проектор, экран, мониторы для оператора).

Устройства внешнего ввода заданий: Средства для непосредственного управления, ввода команд, к ним относятся клавиатура, мышь, сенсорная панель.

Исполнительные механизмы: Запорная арматура, электродвигатели, механические вспомогательные устройства.

Проводниковые устройства: Провода, кабели. Ввиду повышенных вибраций должны быть использованы провод и кабели с медными жилами согласно ПУЭ, так как медь более стойка к вибрации. А так же следует учесть тот факт, что в системе автоматизации будут использованы устройства подверженные влиянию помех, шумов и электрических наводок, поэтому на некоторых участках необходимо применение проводов и кабелей с экраном.

3.2 Выбор технических средств автоматизации

Для автоматизации необходимо оборудование, перечисленное в “разработке структуры автоматизации системы”. Ниже произведен выбор оборудования: устройство сбора и анализа информации; датчики температуры; устройство внешнего ввода заданий; устройство визуализации.

Часть исполнительных механизмов остается существующие, для другой, к которой относятся роторные нагреватели подберем двигатель и частотные преобразователи. Так же произведем выбор проводников. Устройство визуализации и устройство внешнего ввода заданий - это персональный компьютер оператора, который будет находиться в операторской.

3.2.1 Программируемый логический контроллер

Несмотря на широкий спектр средств, представленных сегодня на рынке, потребители по-прежнему предпочитают программируемые логические контроллеры (ПЛК) в качестве основы систем автоматизации.

Благодаря прогрессу этих устройств сверхскоростной обработки данных, машины и технологические линии становятся все умнее, производительнее, миниатюрнее, растет их энергоэффективность и функциональность.

Для выбора контроллера рассмотрено три модели разных фирм производителей: Программируемые контроллеры SIMATIC S7-1200 фирмы Siemens, DVP-SS2 Series фирмы DeltaElectronics и контроллер фирмы DirectLogicDL-205.

При выборе контроллера следует учитывать следующие критерии: функциональность, надежность, технические характеристики, хорошее сервисное обслуживание ну и, конечно же, цена. Представленные контроллеры по всем этим характеристикам практически одинаковы, но и все же следует подойти к рассмотрению всех плюсов и минусов внимательней.

Функциональность. Под функциональностью контроллера подразумевают набор возможностей (функций), которые предоставляет данное устройство. Это средства коммуникации к ним относятся RS-232/485, Ethernet, наличие ПИД регулятора, возможность подключение модулей расширения. Все три рассмотренных ПЛК имеют эти функции.

Надежность. Рассмотрим SIMATICS7-1200, как и вся продукция Siemens отличается высокой надежностью. Производитель указывает в паспорте возможность работы данного контроллера в температурных режимах от 0 до 50 градусов, что достаточно для использования его в тяжёлых условиях промышленных предприятий, с учетом использования дополнительных средств.

Заявленная степень защиты IP20 которая обусловлена применением таких изделий в защищенных от влаги местах устанавливаемое на дин-рейку в специальные электротехнические щиты.

Обычно такие щиты располагаются в закрытом помещении и сами обладают закрывающейся дверкой, что предотвращает попадание влаги и посторонних предметов внутрь шкафа и делает возможным применение электротехнических устройств со степенью защиты IP20. Отзывы эксплуатирующих организаций на форумах говорит об их надежности.

Контроллер DVP-SS2 Series фирмы Delta Electronics отличается минимальной ценой и хорошим качеством. Эксплуатационные характеристики на уровне SIMATICS7-1200 - работа: 0 до 55 градусов Цельсия, 50-95 % влажности; степень загрязненности 2. Если же рассматривать рейтинг контроллеров данной компании, то можно констатировать что фирма всегда держится рядом с признанными лидерами рынка, и данный ПЛК пользуется большим спросом.

Пользуются спросом контроллеры фирмы DirectLogical серии DL-205. Контроллеры DirectLOGIC разработаны компанией Koyo (Япония) и поставляются на рынок ее дочерней компанией Automation Direct (США). Разработки Koyo выпускали под своими торговыми марками ведущие производители PLC: General Electric, Texas Instruments, и Siemens. Гарантию на свою продукцию фирма дает пять лет, эксплуатационные характеристики на уровне выше упомянутых.

Технические характеристики. Основные технические характеристики это быстродействие и память. Самая маленькая память у DVP-SS / SS2 Series - 5Кслов, у DL-205 её можно нарастить с 2,4 до 30Кслов, у SIMATIC S7-1200 она варьируется от 25до 50 Кб в зависимости от модели процессора.

Сервисное обслуживание и цена. В настоящее время все фирмы и их посредники занимаются не только продажей своих изделий, но и ведут гарантийное обслуживание и техническую поддержку. Цены на представленные контроллеры будут зависеть от количества использованных модулей расширения и сопутствующих дополнительных компонентов (провода, блоки питания).

При рассмотрении приведенных контроллеров выбран DL-205 фирмы DirectLogic. Так как контроллер модульного исполнения, то компоновку его необходимо начать с выбора каркаса.

Число точек ввода/вывода зависит от процессора. Наиболее мощным набором промышленных модулей обладает серия DL205. Предлагается полный диапазон дискретных модулей, которые поддерживают 24В постоянного тока, 110/220 В переменного тока и до 10 А на выходных реле. Аналоговые модули обеспечивают двенадцати и шестнадцатибитовое разрешение и несколько вариантов выбора диапазонов входных и выходных сигналов (включая биполярные).

Система DL205 предусматривает четыре различных размера каркасов и три вида источника питания.

Выбор каркаса зависит от трех факторов:

* Количества необходимых модулей ввода/вывода

* Требований к входному питанию (переменный или постоянный ток)

* Доступного запаса мощности

Один слот предназначен для процессорного модуля, слот для процессора всегда содержит процессор и не нумеруется.

Большинство из обычно используемых модулей ввода/вывода для системы DL205(переменного тока, постоянного тока, релейные и аналоговые) могут использоваться в любом слоте.

Для отслеживания регулирующей величины, в печи используются четыре термопреобразователя сопротивления, следовательно, их подключение не возможно без наличия специального модуля контроллера. Серия DL-205 располагает таким модулем F2-04THM рассчитанным как раз на четыре термопреобразователя.

Так же необходим коммуникационный модуль для связи с ПЭВМ, в качестве него выбран модуль D2-DCM. Коммуникационный модуль D2-DCM - коммуникационный интерфейс общего назначения контроллеров DirectLOGIC серии DL205, в которых использованы процессорные модули D2-240 / 250-1 / 260.

Модуль может быть установлен в любой слот (кроме Слота №0) в каркасе процессора. Этот модуль предназначен для применения в качестве:

Ведущего или ведомого устройства в сети DirectNET

Дополнительного коммуникационного порта общего назначения для связи с компьютером или с панелями оператора.

Сетевого интерфейса сети MODBUS, использующей протокол RTU.

D2-DCM может быть использован в качестве сетевого интерфейса в приложениях, в которых требуется использовать общие данные для нескольких ПЛК или необходим обмен данными с интеллектуальным устройством (компьютером). D2-DCM настраивается, как ведущая или ведомая станция сети.

Для управления частотным преобразователем необходим модуль аналогового выхода по току. В нашем случае будет управляться один ПЧ, таким образом, необходим модуль с минимальным числом каналов. По заданным требованиям подходит модуль F2-02DA1. постоянного тока D2-08ND3 и модуль с релейным выходом D2-08TR.

Обусловлен этот выбор количеством используемых каналов и видом нагрузки на них. Для D2-08ND3 входом являются средства коммутации: конечные выключатели блокировки ворот и лебедки, а для D2-12TR к первой группе шести выходных каналов подключается нагрузка на 24В постоянного тока (светосигнальная арматура), к второй группе подключается нагрузка на 220В переменного тока (реле, катушки пускателей).

Таким образом, количество необходимых модулей равно шести с учетом процессора, а используемые напряжения на модулях управления, 24В и 220В позволяют выбрать каркас с соответствующими требованиями. Под такие требования попадает каркас D2-06B-1.

Данный каркас снабжён дополнительным источником питания на 24В постоянного тока, поскольку выход этого источника питания изолирован от других трех цепей, он может использоваться для питания входных и/или выходных цепей. Использование встроенного вспомогательного источника 24В постоянного тока приводит к снижению стоимости системы управления. Вспомогательный источник увеличивает суммарную нагрузку до 300 мА

3.2.2 Преобразователь частоты

Для управления двигателями роторных нагревателей, необходимо выбрать преобразователь частоты. Сравнив данные преобразователей частоты SchneiderElectric ATV-61HC31N4 280 кВт, ABB ACS550-02-526A-4, ВЕСПЕР EI-7011, выбираем, преобразователь частоты ATV-61HC31N4 280 кВт, он подходит по мощности (280кВт), сумма номинальных токов устанавливаемых асинхронных двигателей (476А) меньше непрерывного выходного тока ПЧ (660А) и позволяет выполнять параллельное подключение двигателей к одному ПЧ.

Более прост в обслуживании и монтаже, имеет длительный срок эксплуатации и зарекомендовал себя на производстве.

Таблица 3.1 - Характеристики преобразователя частоты

Диапазон выходной частоты	0,5-1000 Гц
Конфигурация частоты коммутации (кГц)	Номинальная частота коммутации: 2,5 без уменьшения мощности в установившемся режиме. Настраиваемая при работе от 2 до 8
Диапазон скорости	1-100 в разомкнутом контуре
Статическая точность	±10% номинального скольжения без обратной связи по скорости
Точность поддержания момента	±15% в разомкнутой системе
Переходный перегрузочный момент	130% номинального момента двигателя в течении 10с
Тормозной момент	30% номинального момента двигателя без тормозного сопротивления. До 130% номинального момента двигателя с тормозным сопротивлением
Переходный максимальный ток	120% номинального тока ПЧ в течении 60с
Закон регулирования асинхронным двигателем	Векторное управление потоком без обратной связи по скорости. Закон «напряжение/частота»
Контур регулирования частоты	ПИ-регулятор с перестраиваемой структурой для получения характеристик по скорости, адаптированных к механизму

Таблица 3.2 Электрические характеристики

Напряжение питания	От 380 - 15% до 480 + 10%, трехфазное
Частота	От 50 - 5% до 60 + 5%
Выходное напряжение	Максимальное трехфазное напряжение равно напряжению сети
Уровень шума преобразователя	68 дБ
Гальваническая развязка	Между силовыми и управляющими цепями (входы, выходы, источники)

Преобразователь частоты Altivar 61 путем оптимизации потребления энергии может уменьшить эксплуатационные расходы, значительно повышая комфортность. Различные встроенные функции позволяют адаптировать преобразователь для использования в электрических установках, сложных управляющих системах и системах диспетчеризации инженерного оборудования здания.

Функции:

- автоматический подхват вращающейся нагрузки с поиском скорости

- энергосбережение, квадратичный закон по двум или пяти точкам

- подавление резонанса и шума посредством частоты коммутации, которая, в зависимости от номинальной нагрузки, может быть установлена до 16 кГц во время работы, и случайной модуляции

- адаптация ограничения тока в зависимости от скорости

- предустановленные скорости

- встроенный ПИД-регулятор, с предустановленными значениями ПИД и режимами автоматический/ручной

- определение нулевой скорости потока, определение отсутствия жидкости, ограничение скорости потока

- счетчик наработки и энергопотребления

- функция «сон», функция «пробуждение»

- клиентские настройки с отображением физических значений: бар, л/с, °C...

- тепловая защита двигателя и преобразователя, терморезисторы PTC

- механическая защита механизма при помощи функции пропуска частот, чередования фаз

- защита от превышения тока и перегрузок при продолжительной работе

- защита установки при помощи определения недостаточной нагрузки, перегрузки и отсутствия потока

- защита посредством управления неисправностями и настраиваемых групп предупреждений

Преобразователь Altivar 61 содержит множество настраиваемых дискретных и аналоговых входов и выходов для того, чтобы его можно было оптимизировать для конкретного применения. Преобразователь поддерживает протоколы CANopen и Modbus для того, чтобы увеличить производительность системы управления. Он также поддерживает основные промышленные шины и при помощи дополнительных карт может легко встраиваться в системы HVAC.

3.2.3 Датчики температуры

Выбран термопреобразователь ТХА/ТХК-0292-01, данный преобразователь имеет необходимую длину для установки его в печи и полностью согласуется с входным модулем F2-04THM.

3.2.4 Панели оператора

В системе контроля и управления технологическим процессом в печи аэродинамического подогрева, необходимо использовать средства человеко-машинного интерфейса и системы централизованного контроля.

Разработаны и выпускаются множество специализированных панелей оператора типа EZ-Tоutchи Optimateсерий 400,600,1500. Панели состоят из различных комбинаций программируемых кнопок, светодиодных индикаторов, цифровых сегментных светодиодных индикаторов и алфавитно-цифровых жидкокристаллических экранов. Связь панелей с контролерами производится с использованием RS232/RS422/RS485 портов по протоколам K-sequence, DirectNet и Modbus RTU.

С помощью этих панелей можно быстро и с минимальными монтажными работами создать надежный интерфейс для контроля управления по месту. EZTouch панели - интеллектуальные, программируемые, индикаторные панели. Панели EZTouch снабжены сенсорным графическим интерфейсом, который предназначен для обмена

данными и отображения данных из контроллера.

- Встроенные графические компоненты

- Специальные детали: различные виды тумблеров, переключатель выбора, барабанный переключатель, измерительные приборы, лицевая панель регулятора, аналоговые/цифровые часы

- Возможность обновления программного обеспечения

- Расширяемая RAM память (не для всех моделей)

- Энергонезависимая Flash карта для хранения пользовательских программ

- Цветные модели поддерживают 128 цветовую палитру для компонентов и растровых изображений (bitmap) 16 оттенков серого в монохромных моделях

- Многочисленные языки (до девяти) два коммуникационных порта - для подключения компьютера (RS-232C) и для подключения ПЛК (RS-232C, RS-422A или RS-485A)

- До 999 экранов

- Встроенные часы и календарь или чтение часов контроллера

- Встроенное клавишное поле для цифрового и буквенно-цифрового ввода

- Подключение принтера

3.3 Выбор программного обеспечения верхнего уровня

Верхний уровень - уровень диспетчерского управления, состоит из персонального компьютера в офисном исполнении с ОС Windows.

Программное обеспечение компьютера должно решать задачи сбора информации с датчиков, их обработке по заданному алгоритму и формирование сигналов управления исполнительными устройствами. Так же на него ложиться задача организация графического интерфейса понятного оператору, с отображением всей необходимой информации, и её архивирования.

Для решения этих задач необходимо выбрать две системы программирования. На основе первой системы будут разработаны программы работы оборудования среднего уровня, то есть промышленного контроллера DL - 205, а на основе второй организован пользовательский интерфейс, отражающий в режиме реального времени ход технологического процесса в графическом виде.

Все ПЛК фирмы Direct Logical поддерживают пакет программирования DirectSOFT, поэтому для программирования среднего выберем его.

Современные требования к функциональности программного обеспечения SCADА-систем можно считать вполне устоявшимися.

Большинство известных и популярных программных продуктов данного класса на первый взгляд уже имеют реализацию необходимых функций оперативного контроля и управления технологическим процессом (сбор, обработка, хранение и визуализация данных, оповещение персонала о событиях и тревогах, передача команд управления).

В то же время наблюдается ситуация, когда использование того или иного SCADA-пакета для решения конкретной задачи вызывает ряд нареканий и недовольство.

Для выбора SCADA-системы рассмотрим два пакета это Trace Mode и MasterSCADA.

SCADA система TRACE MODE имеет ряд особенностей, которые выделяют ее из общей массы аналогичных программных продуктов класса SCADA/HMI. SCADA - система Trace Mode 6 фирмы AdAstrA состоит из инструментальной системы и набора исполнительных модулей. В состав Trace Mode входят также средства управления бизнес-процессами производственного предприятия:

Прежде всего, это единая интегрированная среда обработки, объединяющая в себе более десяти различных редакторов проекта АСУ ТП и АСУП.

Для увеличения скорости разработки проекта пользователя применяется оригинальная технология автопостроения. Автоматически в SCADA могут быть построены: источники данных ПЛК и модулей ввода-вывода по известной конфигурации; каналы по источникам данных; связи контроллер-сервер и сервер-сервер; SQL-запросы; связи с ОРС-сервером; связь с ODBC.

Для программирования алгоритмов управления технологическими процессами в SCADA системе TRACE MODE 6 поддержаны пять языков международного стандарта IEC 61131-3.

Графический редактор SCADA имеет интуитивно понятный интерфейс, удобен и прост в работе.

SCADA TRACE MODE имеет в своем составе генератор отчетов, позволяющим в реальном времени быстро создавать полнофункциональные HTML-отчеты.

Возможность интеграции с базами данных и другими приложениями. Встроенная поддержка программных интерфейсов: ODBC, OPC, DDE.

Открытость системы, возможность подключения компонентов ActiveX.

Система MasterSCADA фирмы «ИнСАТ» служит для создания полномасштабных систем автоматизации в различных отраслях промышленности. Основной ее особенностью является объектный подход, использованный на уровне описания системы при ее настройке на конкретный объект автоматизации.

Например, цех, участок, технологический блок и физическое устройство при создании проекта с помощью MasterSCADA рассматриваются как отдельные объекты. На технологическом языке программирования создается свое описание для каждого объекта. Описание включает в себя документы и свойства объекта.

Свойствами могут быть способ линеаризации датчика, период опроса, диапазон входных сигналов. Документами объекта являются его мнемосхема, изображение, график изменения переменных и т.п. Любой документ в системе относится к некоторому объекту. Такой подход позволяет легко размножать один раз созданные объекты, что повышает скорость настройки SCADА на задачу пользователя.

К признакам объектного подхода относится также возможность наследования всех настроек от «родительских» объектов. Это означает, что в MasterSCADA нет необходимости вводить настройки для каждого типа объектов «с нуля». Можно использовать наследование этих настроек от родительского объекта, изменив в них только те параметры, которые отличают родителя от потомка.

Созданные объекты с целью многократного использования можно копировать. В процессе копирования объекта сохраняются все связанные с ним свойства и документы. Связи с внешними источниками и приемниками данных восстанавливаются после копирования, если в системе имеются такие источники или свободные приемники данных (физические устройства). Это позволяет пополнять библиотеку объектов вновь созданными экземплярами и использовать объекты, созданные другими разработчиками.

По функциональным возможностям обе системы в целом сравнимы. Технология программирования близка к интуитивному восприятию автоматизируемого процесса. Плюс мощное объектно-ориентированное программирование, используемое в большинстве этих пакетов, делает эти продукты доступным и легкими в освоении для широкого круга пользователей.

Обе системы можно считать открытыми, обеспечивающими возможность дополнения функциями собственной разработки, имеющими открытый протокол для разработки собственных драйверов, развитую сетевую поддержку, возможность включения ActiveX - объектов и доступность к стандартным базам данных.

Важной особенностью рассмотренных SCADA-систем является количество поддерживаемых разнообразных ПЛК. Построение прикладной системы на основе любой из рассмотренных SCADA - систем резко сокращает набор необходимых знаний в области классического программирования, позволяя концентрировать усилия по освоению знаний в самой прикладной области.

Для создания АСУ ТП печей аэродинамического нагрева была выбрана система Trace Mode 6. Возможность подобрать пакет под необходимое количество точек ввода - вывода, как следствие разумная цена, интуитивно понятный интерфейс и положительные рекомендации пользователей данной системы.

3.4 Описание работы системы и алгоритм управления

Система управления установки АРП реализована на базе микроконтроллера Direct Logic семейства DL-205 и персонального компьютера, который имеет выход в локальную сеть участка цеха. ПЛК семейства DL-205 предназначен для автоматизации малых и средних технологических установок. Модульная конструкция контроллера позволила выбрать оптимальный состав средств дискретного и аналогового ввода-вывода.

Программное обеспечение контроллера обеспечивает ПИД регулирование рабочей температуры в камере, архивирование параметров технологического процесса, ведение журнала событий и аварийных ситуаций, а также выполнение блокировок, переход установки в безопасное состояние при возникновении аварийных ситуаций.

Контроллер производит сравнение заданной температуры с фактической и реализует качественный режим регулирования температуры рабочей камеры, то есть изменением частоты вращения асинхронных двигателя мощностью 132 кВт каждый.

Реализация алгоритма качественного регулирования температуры выполнена на базе следующих аппаратных средств контроллера:

- 4-канального аналогового модуля «F2-04THM»;

- 2-канального модуля «F2-02DA-1».

Модуль «F2-04THM» конвертирует входной аналоговый сигнал от термопары типа ТХК в градусы Цельсия. Контроллер получает информацию о текущей температуре, обрабатывает с точностью 0,1 градуса Цельсия и обеспечивает первичную обработку (достоверность, выбраковка, усреднение) для формирования массива данных, включающего текущую и заданную температуры, скорость изменения температуры, производную скорости температуры. Данные массивов служат исходной информацией для алгоритма регулирования.

Управляющий сигнал с помощью цифроаналогового модуля «F2-02DA-1» преобразовывается в пропорциональный аналоговый сигнал 4..20мА для управления частотно-регулируемыми приводами серии Altivar61 компании SchneiderElectric, обеспечивающие: мягкий пуск без электрических и механических перегрузок, регулируемое время ускорения и замедления, точное поддержание требуемой скорости, возможность дистанционного управления, сопряжение с контроллером или компьютером.

Оптимизация работы привода с помощью регулирования скорости вращения ротора обеспечивает уменьшение потребляемой мощности и экономию энергии. При снижении скорости снижаются также момент, давление и механическая нагрузка на детали машины. Это увеличивает срок службы оборудования, сокращает потребность в ремонте и снижает расходы на техническое обслуживание.

Для выполнения технологических задач системой управления используются три коммуникационных порта, два из которых содержит процессор D2-250, третий организован на базе модуля D2-DCM. Верхний порт процессорного модуля используется для соединения с сенсорной панелью EZTouch, обеспечивающей оперативное управление технологическим процессом термообработки: индикация параметров, номер ошибки при внештатной ситуации, рекомендаций оператору; ввод, просмотр и редактирование управляющих программ нагрева. К нижнему 15-контактному порту D2-250, поддерживающему интерфейсы RS-232, RS-485 и протоколы DirectNET ведущий/ведомый, MODBUS RTU ведущий/ведомый, подключается принтер.

Модуль передачи данных D2-DCM организует универсальный коммуникационный порт для организации обмена данными между контроллером и персональным компьютером по протоколу DirectNET или MODBUS RTU. Модуль не нужно программировать, для его работы достаточно задать коммуникационные параметры и соединить устройства кабелями.

Верхний уровень СУ, построенный на базе SCADA системы. Обмен информацией между ПЛК и ПЭВМ осуществляется с помощью OPC-сервера, который управляет обменом данных между программами верхнего и нижнего уровня.

После запуска программы на экране появляется главное окно с меню и элементами отображения информации. Меню состоит из опций «Режим», «Графики», «Архив». Элементами отображения являются поля для вывода значений уставок и текущих параметров, а так же графические объекты, изменяющие свой цвет в зависимости от состояния. В окне размещается поле для вывода сообщений. Так, при выводе сообщений об ошибках или нарушении связи с контроллером даётся указание о необходимых действиях по проверке корректности состояния АСУ ТП.

Опция «Режим» отображает меню ввода данных и уставок. Меню имеет область ввода данных, а так же две кнопки «Передача контроллеру» и «Выход». После каждой передачи программа производит подтверждение выполнения или не выполнения передачи.

При выборе опции «Графики» появляется субменю «Температура внутри печи», «Температура изделия» При каждом запуске программы технологического процесса формируется отчёт, который записывается в отдельный файл и хранится на жёстком диске компьютера. Периодичность опроса и записи в память определяет оператор. Файл отчёта может быть вызван на монитор для визуального анализа или на печать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе была рассмотрена и предложена модернизация печей аэродинамического нагрева (АРП).

Модернизация печей позволит избавиться от проблем с поиском комплектующих для ремонта и повысит надежность электропривода, системы управления, что позволит контролировать все процессы работы печей с одного места оператора, а также позволит снизить производственные затраты.

Система датчиков, контроллер и устройства управления будут контролировать все основные параметры, что обеспечит стабильную работу и возможность оперативного контроля состояния системы.

Для контроля и управления используется удобная панель оператора, на котором будут отображаться все параметры работы системы и выводиться сигналы аварии. С помощью панели управления и компьютера можно задавать требуемые режимы работы печей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации шкафа управления и регулирования температуры СПУРТ-5А печи АРП. 922.97.000.99.00.000.ТО - М.: Институт теплотехники, 1986. - 30 с.

2. Официальный сайт компании ООО «Веспер автоматика» [Электронный ресурс]. - http:// www.vesper.ru/ (дата обращения 03.01.2017).

3. Официальный сайт компании Schneider-electric [Электронный ресурс]. - http://altivar-pro.ru/ (дата обращения 03.01.2017).

4. Минаев И.Г. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах. - Ставрополь, 2010. - 128 с.

5. Сайт компании Delta ELECTRONICS [Электронный ресурс]. - http://www.delta-electronics.info/ (дата обращения 03.01.2017).

6. Сайт компании Siemens [Электронный ресурс]. - http://iadt.siemens.ru/ (дата обращения 04.01.2017).

7. Сайт компании DirectLogic [Электронный ресурс]. - http://www.directlogic.ru/ (дата обращения 04.01.2017).

8. Сайт группы компаний «Новые технологии» [Электронный ресурс]. - http://www.teplopribor.nt-rt.ru).

9. Официальный сайт компании PLC sistems [Электронный ресурс]. - http://www.plcsistems.ru/ (дата обращения 04.01.2017).

10. ГОСТ Р МЭК 60073-2000. Интерфейс человеко-машинный. Введ. 08.12.2000. - 20 с.

11. ГОСТ Р МЭК 60447-2000 Интерфейс человеко-машинный Введ. 01.07.2001. - 14 с.

12. Трусов А.В., Петроченков А.Б. Проектирование систем управления технологическими процессами: Учебное пособие. - Пермь.: Пермский ЦНТИ, 2006. - 312 с.

Размещено на Allbest.ru